北斗百问丨卫星导航系统需要做相对论修正吗

来源：今日北斗   2020-10-09 17:09   

关于卫星导航系统是否需要做相对论修正的争论，其实是一个恒久争论的话题。这个话题争论的核心就在于相对论是否正确。

 

现有认同全球卫星导航系统需要做相对论修正的看法，都是用的是最简单的方式，去证明相对论的正确性以及有用性。

 

图源丨新浪网


认同北斗、GPS等卫星导航系统的专家认为，根据狭义相对论，由于运动速度的关系，卫星上的原子钟每天比地面上的原子钟慢7μs。根据广义相对论，由于在重力场中不同位置的关系，卫星上的原子钟每天比地面上的原子钟快45μs。二者综合，GPS卫星上的原子钟每天比地面上的快38μs。如不校准时间，定位位置将漂移，每天约10km。因此，没有相对论就没有全球卫星定位系统

 

而赞同这个观点的学者有很多，也有学者专门在杂志上进行了探讨：《大学物理》杂志2017年2期《相对论效应对GPS的影响》一文指出，“本文从狭义相对论和广义相对论两方面论述了无论是运动时钟变慢，还是引力场中高处时钟加快的效应，都将对GPS系统时钟的精度产生不可忽视的影响。”

 

而不认同的学者主要从当前没有过硬的理论和实验去证明相对论在卫星导航系统的作用，一次怀疑相对论的正确与否。

 


那其实到底是“没有相对论就没有GPS”还是说“卫星导航系统无需做相对论修正”呢？这里先不讨论相对论的正确与否，就卫星导航系统与相对论效应的关系来说，无需专门对卫星导航定位系统进行“相对论效应”的修正。

 

而解卫星导航系统定位的工作原理的朋友都清楚，当前卫星导航系统，采用的是伪距差分法实现给地面用户的定位。

 

伪距，指的是指测出的距离数据中还包括误差项，而这些误差对每颗卫星都是一样的。在实际的应用中，卫星导航系统会利用4颗卫星测出4个伪距，然后进行差分，抵消相同的误差项，最终得到用户的最终定位坐标。

 

实际上保证精准定位，只要实现所有在轨的卫星的原子钟同步即可。这是因为在信号传播速度（光速）已知的前提下，时间测量越精密，位置计算就越精确。而我国北斗使用的原子钟自身就有足够的精度和稳定度，300万年只有一秒的误差。再加上地面测控还会进行每天的例行二次时频修正。

 

图源丨上观新闻


除了实现精准定位，在校时领域也是同样的道理。同样利用伪距差分的方法，来实现地面用户的时钟同步与卫星导航系统的系统时同步。

 

换句话说，无论是从卫星导航系统的定位角度还是卫星导航系统的校时角度，通过伪距差分的原理方法，“相对论修正”说法里面提出的偏差都可以被消除掉。不论相对论效应是否存在，现有的卫星导航系统都能够在测伪距和差分的过程中被抵消。

 

因此可以说，可以去讨论卫星导航系统的“相对论效应”，但卫星导航系统无需专门做相对论的修正，更无法利用卫星导航系统的应用去证明或者否定相对论。